基于準連續(xù)介質(zhì)力學多尺度方法的納米切削仿真研究.pdf

1、納米切削是加工高精度光學表面的有效手段。當切削厚度從微米級跨到納米量級時,切削過程發(fā)生了從量變到質(zhì)變的過程。納米切削過程的實質(zhì)是破壞原子之間的成鍵。由于納米切削的不連續(xù)性、離散性,傳統(tǒng)的連續(xù)介質(zhì)力學分析方法不再滿足要求?，F(xiàn)如今探究納米級切削機理的主要手段是借助分子動力學分析方法(MD)?？墒沁@種方法能夠計算的空間尺度有限、在模擬過程中邊界條件的設(shè)置也降低了計算的精度,因此探究新的多尺度模擬方法具有重要意義。準連續(xù)介質(zhì)力學方法是常見的多尺

2、度方法之一,借用Cauchy-Born法則,將原子分析方法和有限元方法耦合起來,在不失計算精度的前提下擴大模擬的尺寸。
　　本文旨在借助準連續(xù)介質(zhì)力學多尺度方法研究單晶材料的納米切削過程并對其進行分析,探究新的適合納米切削的模擬方法。論文的主要內(nèi)容概括如下:
　　(1)通過對比實驗研究各種類型多尺度模擬方法,針對納米切削特性進行模擬方法的優(yōu)選。針對準連續(xù)介質(zhì)力學方法(QC)、橋接法(BD)、離散位錯動力學算法(CADD)等典

3、型多尺度模擬方法,分別進行含有偶極位錯的單晶鋁的剪切變形實驗。對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)QC方法的計算時間最短,與原子方法相比效率提高了近80％;同時載荷曲線和原子方法的較為接近,因此在本文的研究過程中選擇了準連續(xù)介質(zhì)力學方法(QC)。
　　(2)圍繞納米切削的特點,利用FORTRAN語言編寫了準連續(xù)介質(zhì)力學納米切削程序,建立了能夠?qū)崿F(xiàn)納米切削的仿真平臺。納米切削準連續(xù)介質(zhì)力學多尺度仿真程序主要包括五部分,分別是:劃分網(wǎng)格的子程序user-me

4、sh;設(shè)置邊界條件的子程序user-bcon;讀取材料勢函數(shù)的子程序user-potential及施加載荷的子程序user-pdel和輸出相關(guān)參量的子程序user-plot。模擬仿真試驗中刀具的形狀設(shè)置成圓弧形與實際的納米切削實驗更接近,工件尺寸是100nm×200nm。
　　(3)以單晶銅為研究對象,探究了準連續(xù)介質(zhì)力學仿真平臺實現(xiàn)納米切削的有效性。重點分析已加工表面的形成過程,切削力和切削比能的變化。結(jié)果顯示已加工表面是在刀具